Lambdasonde

Hier finden Sie nützliches Wissen und wichtige Tipps rund um das Thema Lambdasonde bei Fahrzeugen.

Die Lambdasonde ermittelt den Restsauerstoffgehalt im Abgas und liefert der Motorsteuerung ein elektrisches Signal für das Regeln der Gemischzusammensetzung. Scrollen sie duch diese Seite und informieren Sie sich über die Varianten, deren Funktionsweise, Prüfmethoden und wichtige Hinweise für den fachgerechten Austausch von Lambdasonden.

Wichtiger Sicherheitshinweis
Die nachfolgenden technischen Informationen und Tipps für die Praxis wurden von HELLA erstellt, um Kfz-Werkstätten in ihrer Arbeit professionell zu unterstützen. Die hier auf dieser Webseite bereitgestellten Informationen sollen nur von einschlägig ausgebildeten Fachpersonal genutzt werden.

 

LAMBDASONDE FUNKTION: FUNKTIONSPRINZIP

Um eine ideale Konvertierungsrate des Katalysators zu gewährleisten, ist eine optimale Verbrennung erforderlich. Diese wird bei einem Benzinmotor mit einer Gemischzusammensetzung von 14,7 kg Luft zu 1 kg Kraftstoff erreicht (stöchiometrisches Gemisch). Dieses optimale Gemisch wird mit dem griechischem Buchstaben λ (Lambda) bezeichnet. Mit Lambda wird das Luftverhältnis zwischen dem theoretischen Luftbedarf und der tatsächlich zugeführten Luftmenge ausgedrückt:

 

λ = zugeführte Luftmenge : theoretische Luftmenge = 14,7 kg : 14,7 kg = 1

Das Prinzip der Lambdasonde beruht auf einer Sauerstoffvergleichsmessung. Das bedeutet, der Restsauerstoffgehalt des Abgases (ca. 0,3 – 3 %) wird mit dem Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft (ca. 20,8 %) verglichen.

 

Beträgt der Restsauerstoffgehalt des Abgases 3 % (mageres Gemisch), entsteht aufgrund der Differenz zum Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft eine Spannung von 0,1 V.

 

Beträgt der Restsauerstoffgehalt weniger als 3 % (fettes Gemisch), steigt die Sondenspannung im Verhältnis der erhöhten Differenz auf 0,9 V an. Der Restsauerstoffgehalt wird mit unterschiedlichen Lambdasonden gemessen.

 

In der Regel wird die Funktion der Lambdasonde bei der routinemäßigen Abgasuntersuchung geprüft. Da sie aber einem gewissen Verschleiß unterliegt, sollte sie in regelmäßigen Abständen (ca. alle 30.000 km) auf ihre einwandfreie Funktion geprüft werden – z.B. im Rahmen der Inspektionen.

 

Aufgrund verschärfter Gesetze zur Reduzierung der Abgase von Kraftfahrzeugen wurden auch die Techniken zur Abgasnachbehandlung verbessert.

Spannungssprung-Sonde

Diese Sonde besteht aus einer fingerförmigen, innen hohlen Zirkondioxid-Keramik. Die Besonderheit dieses Feststoffelektrolyts liegt darin, dass es ab einer Temperatur von ca. 300°C für Sauerstoffionen durchlässig ist. Beide Seiten dieser Keramik sind mit einer dünnen, porösen Platinschicht überzogen, die als Elektrode dient. An der Außenseite der Keramik strömt das Abgas vorbei, die Innenseite ist mit Referenzluft gefüllt.

 

Durch die unterschiedliche Sauerstoffkonzentration auf den beiden Seiten kommt es aufgrund der Eigenschaften der Keramik zu einer Sauerstoffionenwanderung, die wiederum eine Spannung erzeugt. Diese Spannung wird als Signal für das Steuergerät genutzt, das je nach Restsauerstoffgehalt der Abgase die Gemischzusammensetzung ändert.

 

Dieser Vorgang – Messen des Restsauerstoffgehalts und Anfetten bzw. Abmagern des Gemisches – wiederholt sich mehrfach in der Sekunde, so dass ein bedarfsgerechtes stöchiometrisches Gemisch ( λ = 1) erzeugt wird.

Widerstandssprung-Sonde

Bei dieser Sondenart wird das Keramikelement aus Titandioxid hergestellt – und zwar in einer Mehrlagen-Dickschichttechnik. Titandioxid hat die Eigenschaft, dass es seinen Widerstand proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas ändert. Bei hohem Sauerstoffanteil (mageres Gemisch λ > 1) ist es weniger leitfähig, bei geringem Sauerstoffgehalt (fettes Gemisch  λ < 1) wird es leitfähiger. Diese Sonde benötigt keine Referenzluft, muss aber vom Steuergerät über eine Widerstandskombination mit einer Spannung von 5 V versorgt werden. Über den Spannungsabfall an den Widerständen entsteht das für das Steuergerät benötigte Signal.

 

Beide Messzellen sind in einem ähnlichen Gehäuse montiert. Ein Schutzrohr verhindert Beschädigungen an den in den Abgasstrom ragenden Messzellen.

Lambdasondenheizung

Die ersten Lambdasonden waren nicht beheizt und mussten deshalb motornah verbaut werden, um möglichst schnell ihre Arbeitstemperatur zu erreichen. Heute werden Lambdasonden mit einer Sondenheizung ausgestattet. Dadurch können die Sonden auch motorfern eingebaut werden.

 

Vorteil:
Sie sind nicht mehr der hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Durch die Sondenheizung kommen sie innerhalb kürzester Zeit auf Betriebstemperatur, wodurch der Zeitraum, in der die Lambdaregelung nicht aktiv ist, sehr kurz gehalten wird. Eine zu starke Abkühlung während des Leerlaufbetriebs, in dem die Abgastemperatur nicht so hoch ist, wird verhindert. Beheizte Lambdasonden haben eine kürzere Reaktionszeit, was sich positiv auf die Regelgeschwindigkeit auswirkt.

Breitbandlambdasonde

Die Lambdasonde zeigt ein fettes oder mageres Gemisch im Bereich λ = 1 an. Die Breitbandlambdasonde bietet die Möglichkeit, im mageren (λ > 1) wie im fetten (λ < 1) Bereich eine genaue Luftzahl zu messen. Sie liefert ein exaktes elektrisches Signal und kann deshalb beliebige Sollwerte regeln – z. B. bei Dieselmotoren, Ottomotoren mit Magerkonzepten, Gasmotoren und Gasheizthermen. Die Breitbandlambdasonde ist wie eine herkömmliche Sonde mit Referenzluft aufgebaut. Sie besitzt zusätzlich eine zweite elektrochemische Zelle: die Pumpzelle.

 

Durch ein kleines Loch in der Pumpzelle gelangt Abgas in den Messraum, den Diffusionsspalt. Um die Luftzahl (λ) einzustellen, wird hier die Sauerstoffkonzentration mit der Sauerstoffkonzentration der Referenzluft verglichen. Um für das Steuergerät ein messbares Signal zu bekommen, wird an die Pumpenzelle eine Spannung angelegt. Durch diese Spannung kann der Sauerstoff aus dem Abgas in den Diffusionsspalt hinein oder heraus gepumpt werden. Das Steuergerät regelt die Pumpenspannung so, dass im Diffusionsspalt die Zusammensetzung des Gases konstant bei λ = 1 liegt. Ist das Gemisch mager, wird durch die Pumpenzelle Sauerstoff nach außen gepumpt. Es ergibt sich ein positiver Pumpenstrom. Ist das Gemisch fett, wird Sauerstoff aus der Referenzluft hinein gepumpt. Es ergibt sich ein negativer Pumpenstrom. Bei λ = 1 im Diffusionsspalt wird kein Sauerstoff transportiert, der Pumpenstrom ist Null. Dieser Pumpenstrom wird vom Steuergerät ausgewertet und gibt ihm die Luftzahl und somit Informationen über die Gemischzusammensetzung an.

Verwendung mehrerer Lambdasonden

Verwendung mehrerer Lambdasonden

Seit Einführung der EOBD muss auch die Funktion des Katalysators überwacht werden. Dazu wird eine zusätzliche Lambdasonde hinter dem Katalysator installiert. Mit ihr wird die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators ermittelt.

 

Die Funktion der Nachkatsonde ist gleich der Vorkatsonde. Im Steuergerät werden die Amplituden der Lambdasonden verglichen. Durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators sind die Spannungsamplituden der Nachkatsonde sehr klein. Sinkt die Speicherfähigkeit des Katalysators, steigen die Spannungsamplituden der Nachkatsonde durch den erhöhten Sauerstoffgehalt an.

 

Die Höhe der Amplituden, die an der Nachkatsonde entstehen, sind abhängig von der momentanen Speicherkapazität des Katalysators, die mit der Last und Drehzahl variieren. Deshalb werden der Lastzustand und die Drehzahl beim Abgleich der Sondenamplituden berücksichtigt. Sind die Spannungsamplituden beider Sonden trotzdem annähernd gleich, ist das Speichervermögen des Katalysators z. B. durch Alterung erreicht.

LAMBDASONDE DEFEKT: SYMPTOME

Bei einem Ausfall der Lambdasonde können folgende Fehlersymptome auftreten:

  • Hoher Kraftstoffverbrauch
  • Schlechte Motorleistung
  • Hohe Abgasemissionen (AU)
  • Aufleuchten der Motorkontrollleuchte
  • Abspeichern eines Fehlercodes

LAMBDASONDE DEFEKT AUSWIRKUNGEN: AUSFALLURSACHE

Ein Ausfall kann aus verschiedenen Gründen erfolgen:

  • Innere und äussere Kurzschlüsse
  • Fehlende Masse / Spannungsversorgung
  • Überhitzung
  • Ablagerungen / Verschmutzung
  • Mechanische Beschädigung
  • Verwendung von verbleitem Kraftstoff / Additiven

Es gibt eine Reihe von typischen Defekten an Lambdasonden, die sehr häufig auftreten. Die folgende Auflistung zeigt, durch welche Ursache diagnostizierte Fehler entstanden sind:

Unbeheizte Sonden

Diagnostizierter Fehler Ursache
Schutzrohr bzw. Sondenkörper durch Ölrückstände zugesetzt Unverbranntes Öl ist in die Abgasanlage gelangt, z. B. durch defekte Kolbenringe oder Ventilschaftdichtungen
Falschluftansaugung, fehlende Referenzluft Sonde falsch montiert, Referenzluftöffnung verstopft
Schäden durch Überhitzung Temperaturen über 950 °C durch falschen Zündzeitpunkt bzw.Ventilspiel
Schlechte Verbindung an den Steckkontakten Oxidation
Unterbrochene Kabelverbindungen Schlecht verlegte Kabel, Scheuerstellen, Marderverbiss
Fehlende Masseverbindung Oxidation, Korrosion an der Abgasanlage
Mechanische Beschädigungen Zu hohes Anzugsdrehmoment
Chemische Alterung Sehr häufig Kurzstrecken
Bleiablagerungen Verwendung von verbleitem Kraftstoff

 

FEHLERDIAGNOSE BEI DER LAMBDASONDE: GRUNDLAGEN

Fahrzeuge, die mit einer Eigendiagnose ausgestattet sind, können im Regelkreis auftretende Fehler erkennen und im Fehlerspeicher ablegen. Angezeigt wird dies in der Regel durch die Motorkontrollleuchte. Zur Fehlerdiagnose kann dann mit einem Diagnosegerät der Fehlerspeicher ausgelesen werden. Ältere Systeme sind allerdings nicht in der Lage, festzustellen, ob dieser Fehler auf ein defektes Bauteil oder z. B. auf einen Kabeldefekt zurückzuführen ist. In diesem Fall müssen vom Mechaniker weitere Prüfungen vorgenommen werden.

 

Im Zuge der EOBD wurde die Überwachung der Lambdasonden auf folgende Punkte erweitert:

  • Leitungsschluss,
  • Betriebsbereitschaft,
  • Kurzschluss nach Steuergerät-Masse,
  • Kurzschluss nach Plus,
  • Kabelbruch und die Lambdasonden-Alterung.
     

Um die Lambdasondensignale zu diagnostizieren, verwendet das Steuergerät die Form der Frequenz des Signals.

 

Dazu berechnet das Steuergerät folgende Daten:

  • Den maximal und minimal erkannten Sondenspannungswert,
  • Die Zeit zwischen positiver und negativer Flanke,
  • Lambdaregler-Stellgröße nach fett und mager,
  • Regelschwelle der Lambdaregelung,
  • Sondenspannung und Periodendauer.

WIE WIRD DIE MAXIMALE UND MINIMALE SONDENSPANNUNG BESTIMMT?

Beim Starten des Motors werden alle alten Max.-/Min.-Werte im Steuergerät gelöscht. Während des Fahrbetriebs werden in einem für die Diagnose vorgegebenen Last-/Drehzahlbereich die Min.-/Max.-Werte gebildet.

BERECHNUNG DER ZEIT ZWISCHEN POSITIVER UND NEGATIVER FLANKE

Wird die Regelschwelle von der Sondenspannung überschritten, startet die Zeitmessung zwischen der positiven und negativen Flanke. Wird die Regelschwelle von der Sondenspannung unterschritten, stoppt die Zeitmessung. Der Zeitraum zwischen Anfang und Ende der Zeitmessung wird von einem Zähler gemessen.

ERKENNEN EINER GEALTERTEN ODER VERGIFTETEN LAMBDASONDE

Ist die Sonde stark gealtert oder z. B. durch Kraftstoffzusätze vergiftet, wirkt sich dieses auf das Sondensignal aus. Das Sondensignal wird mit einem gespeicherten Signalbild verglichen. Eine langsame Sonde wird z. B. über die Periodendauer des Signals als Fehler erkannt.

LAMBDASONDE PRÜFEN MIT OSZILLOSKOP, MULTIMETER, LAMBDASONDENTESTER, ABGASMESSGERÄT: FEHLERSUCHE

Grundsätzlich sollte vor jeder Prüfung eine Sichtprüfung durchgeführt werden, um sicher zu gehen, dass keine Schäden am Kabel oder Stecker vorhanden sind. Die Abgasanlage darf keine Undichtigkeiten aufweisen.

 

Für den Messgeräteanschluss empfiehlt sich ein Adapterkabel. Zu beachten ist auch, dass die Lambdaregelung bei einigen Betriebszuständen nicht aktiv ist, z. B. während des Kaltstarts bis zum Erreichen der Betriebstemperatur und bei Volllast.

Lambdasonde prüfen mit dem Abgastester

Eine der schnellsten und einfachsten Prüfungen ist die Messung mit einem Viergas-Abgasmessgerät.

 

Die Prüfung wird wie die vorgeschriebene Abgasuntersuchung durchgeführt. Bei betriebswarmem Motor wird durch Abziehen eines Schlauchs als Störgröße Falschluft aufgeschaltet. Durch die sich ändernde Abgaszusammensetzung ändert sich der vom Abgastester errechnete und angezeigte Lambdawert. Ab einem gewissen Wert muss das Gemischaufbereitungssystem dies erkennen und innerhalb einer bestimmten Zeit (wie bei der AU 60 Sekunden) ausregeln. Wird die Störgröße zurückgenommen, muss der Lambdawert auf den ursprünglichen Wert zurückgeregelt werden.

 

Grundsätzlich sollten dazu die Vorgaben zur Störgrößenaufschaltung und die Lambdawerte vom Hersteller beachtet werden.

 

Mit dieser Prüfung kann allerdings nur festgestellt werden, ob die Lambdareglung arbeitet. Eine elektrische Prüfung ist nicht möglich. Bei diesem Verfahren besteht die Gefahr, dass moderne Motormanagementsysteme trotz nicht funktionierender Lambdaregelung durch die genaue Lasterfassung das Gemisch so steuern, dass λ = 1 ist.

Lambdasonde prüfen mit dem Multimeter

Zur Prüfung sollten nur hochohmige Multimeter mit Digital- oder Analog-Anzeige eingesetzt werden.

 

Durch Multimeter mit kleinem Innenwiderstand (meistens bei analogen Geräten) wird das Lambdasondensignal zu stark belastet und kann zusammenbrechen. Aufgrund der schnell wechselnden Spannung lässt sich das Signal mit einem analogen Gerät am besten darstellen.

 

Das Multimeter wird parallel an die Signalleitung (schwarzes Kabel, Schaltplan beachten) der Lambdasonde angeschlossen. Der Messbereich des Multimeters wird auf 1 oder 2 Volt eingestellt. Nach dem Starten des Motors erscheint auf der Anzeige ein Wert zwischen 0,4 – 0,6 Volt (Referenzspannung). Wird die Betriebstemperatur des Motors bzw. der Lambdasonde erreicht, beginnt die feststehende Spannung zwischen 0,1 und 0,9 Volt zu wechseln.

 

Um ein einwandfreies Messergebnis zu erzielen, sollte der Motor auf einer Drehzahl von ca. 2.500 Umdrehungen gehalten werden. Dadurch wird gewährleistet, dass auch bei Systemen mit unbeheizter Lambdasonde die Betriebstemperatur der Sonde erreicht wird. Durch die nicht ausreichende Abgastemperatur im Leerlauf besteht die Gefahr, dass die unbeheizte Sonde abkühlt und kein Signal mehr erzeugt.

Lambdasonde prüfen mit dem Oszilloskop

Mit dem Oszilloskop lässt sich das Signal der Lambdasonde am besten darstellen. Grundvoraussetzung ist wie bei der Messung mit dem Multimeter die Betriebstemperatur von Motor bzw. Lambdasonde.

 

Das Oszilloskop wird an die Signalleitung angeschlossen. Der einzustellende Messbereich ist abhängig vom verwendeten Oszilloskop. Verfügt das Gerät über eine automatische Signalerkennung, sollte sie genutzt werden. Bei der manuellen Einstellung einen Spannungsbereich von 1 – 5 Volt und eine Zeiteinstellung von 1 – 2 Sekunden einstellen.

 

Die Motordrehzahl sollte wieder ca. 2.500 Umdrehungen betragen.

 

Die Wechselspannung erscheint sinusförmig auf dem Display. An diesem Signal können folgende Parameter ausgewertet werden:

  • Die Amplitudenhöhe (maximale und minimale Spannung 0,1 – 0,9 Volt),
  • die Ansprechzeit und die Periodendauer (Frequenz ca. 0,5 – 4 Hz).

Lambdasonde prüfen mit dem Lambdasondentester

Verschiedene Hersteller bieten zur Prüfung spezielle Lambdasondentester an. Mit diesem Gerät wird die Funktion der Lambdasonde über LEDs  angezeigt.

 

Der Anschluss erfolgt wie bei Multimeter und Oszilloskop an die Signalleitung der Sonde. Sobald die Sonde die Betriebstemperatur erreicht hat und zu arbeiten beginnt, fangen die LEDs im Wechsel zu leuchten an – je nach Gemischzusammensetzung und Spannungsverlauf (0,1 – 0,9 Volt) der Sonde.

 

Alle Angaben zur Messgeräteeinstellung für die Spannungsmessung beziehen sich hier auf Zirkondioxidsonden (Spannungssprungsonden). Bei Titandioxidsonden ändert sich der einzustellende Spannungsmessbereich auf 0 – 10 Volt, die gemessenen Spannungen wechseln zwischen 0,1 – 5 Volt.

Zustand des Schutzrohres prüfen

Grundsätzlich sind die Herstellerangaben zu beachten. Neben der elektronischen Prüfung kann der Zustand des Schutzrohres des Sondenelements Aufschluss über die Funktionsfähigkeit geben:

DAS SCHUTZROHR IST STARK VERRUSST

  • Motor läuft mit zu fettem Gemisch

 

Die Sonde sollte ausgetauscht werden und die Ursache für das zu fette Gemisch beseitigt werden, um ein erneutes Verrußen der Sonde zu vermeiden.

GLÄNZENDE ABLAGERUNGEN AUF DEM SCHUTZROHR

  • Verwendung von bleihaltigem Kraftstoff

 

Das Blei zerstört das Sondenelement. Die Sonde muss erneuert und der Katalysator überprüft werden. Bleihaltigen Kraftstoff durch bleifreien Kraftstoff ersetzen.

HELLE (WEISSE ODER GRAUE) ABLAGERUNGEN AUF DEM SCHUTZROHR

  • Motor verbrennt Öl, zusätzliche Additive im Kraftstoff

 

Die Sonde muss erneuert und die Ursache für das Verbrennen von Öl beseitigt werden.

UNSACHGEMÄSSE MONTAGE

Eine unsachgemäße Montage kann die Lambdasonde so beschädigen, dass eine einwandfreie Funktion nicht gewährleistet ist. Bei der Montage muss das vorgeschriebene Spezialwerkzeug benutzt und das Anzugsdrehmoment beachtet werden.

LAMBDASONDENHEIZUNG PRÜFEN: FEHLERSUCHE

Es können der Innenwiderstand und die Spannungsversorgung des Heizelements geprüft werden.

 

Dazu den Stecker zur Lambdasonde trennen. Lambdasondenseitig mit dem Ohmmeter an den beiden Kabeln für das Heizelement den Widerstand messen. Dieser sollte zwischen 2 und 14 Ohm liegen. Fahrzeugseitig mit dem Voltmeter die Spannungsversorgung messen. Es muss eine Spannung von > 10,5 Volt (Bordspannung) anliegen.

Verschiedene Anschlussmöglichkeiten und Kabelfarben

Unbeheizte Sonden

Anzahl der Kabel Kabelfarbe Anschluss
1 Schwarz Signal (Masse über Gehäuse)
2 Schwarz Signal
Masse

 

Beheizte Sonden

Anzahl der Kabel Kabelfarbe Anschluss
3 Schwarz
2 x Weiß
Signal (Masse über Gehäuse) Heizelement
4 Schwarz
2 x Weiß
Grau
Signal Heizelement Masse

 

Titandioxidsonden

Anzahl der Kabel Kabelfarbe Anschluss
4 Rot
Weiß
Schwarz
Gelb
Heizelement (+)
Heizelement (-)
Signal (-)
Signal (+)
4 Schwarz
2 x Weiß
Grau
Heizelement (+)
Heizelement (-)
Signal (-)
Signal (+)

(Herstellerspezifische Angaben müssen beachtet werden.)

LAMBDASONDE WECHSELN: VIDEO

Austausch der Lambdasonde

Austausch des Lambdasonde inkl. Aus- und Einbauhinweise

 

02:42 min

Folgendes ist beim Austausch der Lambdasonde zu beachten

Wird eine Lambdasonde erneuert, sollte bei der Montage der neuen Sonde Folgendes beachtet werden:

  • Verwenden Sie zur Demontage und Montage ausschließlich dafür vorgesehenes Werkzeug.
  • Prüfen Sie das Gewinde in der Abgasanlage auf Beschädigungen.
  • Benutzen Sie nur das mitgelieferte oder speziell für Lambdasonden vorgesehene Fett.
  • Vermeiden Sie es, das Sonden-Messelement mit Wasser, Öl, Fett, Reinigungs- und Rostlösemitteln in Kontakt zu bringen.
  • Die jeweiligen Anzugsdrehmomente der Lambdasonden- und Fahrzeughersteller sind zu beachten.
  • Achten Sie bei der Verlegung des Anschlusskabels darauf, dass dieses nicht mit heißen oder beweglichen Gegenständen in Berührung kommt und nicht über scharfe Kanten verlegt wird.
  • Verlegen Sie das Anschlusskabel der neuen Lambdasonde möglichst nach dem Muster der original montierten Sonde.
  • Achten Sie auf genügend Spielraum des Anschlusskabels, damit es durch Schwingungen und Bewegungen der Abgasanlage nicht abreißt.
  • Weisen Sie Ihren Kunden darauf hin, dass er keine auf Metall basierende Additive oder bleihaltigen Kraftstoff verwendet.
  • Verwenden Sie keine auf den Boden gefallene oder beschädigte Lambdasonde.